Lo aprendido de la radiodifusión FM y AM se puede aplicar a la medición de nivel en tanques para conseguir una mejor prestación en aplicaciones exigentes.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 1. Los nuevos instrumentos de nivel FMCW son compactos y pueden operar en un lazo de dos hilos 4-20 mA estándar. También hay modelos con certificación de seguridad.

 

En 1933, el norteamericano Edwin Armstrong demostraba una nueva tecnología que habría de transformar la radiodifusión: transmisiones con modulación de frecuencia (FM) capaces de brindar un sonido de mayor fidelidad y menos interferencia que la modulación de amplitud (AM). Con el tiempo, la radiodifusión FM se convirtió en un estándar para radio y televisión  con un formato que se usa en las comunicaciones wireless digitales de hoy en día. AM sigue estando pero FM es una clara preferencia en la mayoría de las aplicaciones.

Hay distintas manera de incorporar FM en una gran variedad de aplicaciones, lo que incluye radar para medición de nivel en tanques. El radar básico aprovecha la capacidad de una onda electromagnética de rebotar en distintas superficies, incluyendo líquidos. La medición del tiempo que insume una señal para viajar a la superficie de un líquido, reflejarse y regresar al dispositivo instalado en la parte superior del tanque, permite calcular la distancia recorrida y, por lo tanto, el nivel del líquido en el tanque.

Este es el principio de funcionamiento tanto de la medición de nivel por radar sin contacto (NCR) como por radar de onda guiada (GWR). Los instrumentos de nivel por radar ofrecen una medición de arriba hacia abajo, directa, exacta y confiable de la distancia a la superficie de líquidos, suspensiones, lodos e incluso algunos sólidos.

GWR transmite un pulso hacia abajo a través de una sonda de guía de onda (figura 2), que puede extenderse hasta el fondo del tanque. Esto guía el pulso y permite concentrar la reflexión, de modo que no se vea afectada por los objetos que podrían estar dentro del tanque y causar una reflexión no deseada. El inconveniente es la posibilidad de que la sonda interfiera con objetos en movimiento, por ejemplo un agitador.

La tecnología NCR (figura 3) envía una señal a través del espacio abierto de un tanque hacia la superficie del producto almacenado. Al no tocar el contenido, la medición no se ve afectada por condiciones de proceso, tales como densidad, viscosidad, conductividad, recubrimiento y vapor.

También es una alternativa ideal para tanques con objetos en movimiento, productos corrosivos, amplio rango de temperaturas y condiciones difíciles de presión, ya que la exactitud de la medición no se ve afectada en absoluto. Con capacidades de diagnóstico incorporadas, su comisionamiento directo y sin la presencia de partes en movimiento, los instrumentos NCR ofrecen facilidad de uso y requieren poco mantenimiento.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 2. GWR envía un pulso hacia abajo a través de una guía de onda para minimizar la disipación de la señal.

 

Llegó la era de FMCW

Dado que la distancia desde un instrumento de radar a la superficie del contenido de un tanque podría ser un poco más de 0,3 – 0,6 metros, el tiempo que requiere el pulso para viajar es virtualmente instantáneo. Obtener una medición exacta de algo tan rápido implica cierta ingeniería inteligente.

NCR utiliza uno de dos métodos: pulsos u onda continua modulada en frecuencia (FMCW). GWR usa pulsos, pero la señal más enfocada que se consigue con la guía de onda se traduce en características operativas diferentes a NCR.

Los sistemas de pulsos utilizan expansión en tiempo para convertir estos intervalos extremadamente cortos a una escala de tiempo más lenta. El eco de una superficie contiene decenas de miles de cortos pulsos de radar transmitidos desde el instrumento en la parte superior del tanque y dirigidos directamente al material de proceso que está abajo. El instrumento mide el retardo de tiempo entre la señal de eco transmitida y recibida, y un microprocesador incorporado calcula luego la distancia a la superficie del material y, en consecuencia, mide el nivel.

FMCW utiliza el mismo concepto de señal reflejada pero lo aplica de manera diferente. En lugar de medir el tiempo de vuelo de un pulso específico, un instrumento FMCW transmite una señal continua desde la antena en la parte superior del tanque, pero con una frecuencia que cambia constantemente (figura 4). Una vez reflejada la señal por la superficie del contenido, el eco es captado por la antena. Puesto que la señal transmitida varía constantemente en frecuencia, el eco tiene una frecuencia levemente diferente a la de la señal que se transmite en ese momento. La diferencia entre estas frecuencias es directamente proporcional al retardo del eco, lo que permite medir exactamente la distancia.

La comparación entre estos dos conceptos es similar a la radiodifusión AM versus FM. Los sistemas de pulsos se parecen más a AM, ya que la señal es más susceptible a interferencia proveniente de distintas fuentes, tales como estructuras internas de un tanque, espuma, altas concentraciones de vapor y turbulencia. Por ejemplo, si la turbulencia es importante, un pulso puede llegar a dispersarse y perderse por completo debido a una pobre reflexión. El instrumento podría asumir incorrectamente que la reflexión del siguiente pulso es el pulso perdido, pero con un tiempo de retorno muy posterior, lo que equivale a leer una distancia mayor que la real. La exactitud de la medición también se ve afectada por cualquier deriva de la frecuencia del pulso e incluso por la temperatura dentro del tanque.

FMCW captura la información de la variable de proceso en el dominio de frecuencia, lo que soporta una conversión de señal más exacta. Su procesamiento de señal puede ignorar las fuentes de interferencia comunes. Además, FMCW ofrece una mayor sensibilidad de recepción y utiliza señales de mayor intensidad que los sistemas de pulsos, lo que le permite desempeñarse mejor en situaciones difíciles con turbulencia y espuma.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 3. NCR minimiza su extensión en el tanque y no toca el producto.

 

Todavía se usan ambas tecnologías: pulsos y FMCW

De la misma forma que la radio FM no ha eliminado la AM, todavía hay muchos instrumentos de radar con tecnología de pulsos. ¿Por qué no han sido reemplazados por FMCW?

La tecnología FMCW no es nueva; de hecho, existe desde hace décadas y sus ventajas tecnológicas han sido reconocidas desde el principio. La razón por la que quedan tantos instrumentos de pulsos tiene que ver en gran medida con el consumo de energía. Los instrumentos de pulsos son eficientes y permiten que los instrumentos GWR que usan WirelessHART puedan operar durante años con baterías.

En cuanto a FMCW, por definición, se suponía que eran dispositivos grandes y voluminosos de cuatro cables que consumían, al menos según los estándares de instrumentación, mucha energía. Si una fuente de alimentación no era conveniente, muchos usuarios se quedaban con instrumentos de pulsos a menos que alguna condición del proceso exigiera algo más sofisticado.

Pero esta situación ha cambiado. Al igual que muchos dispositivos electrónicos, los instrumentos FMCW ya son mucho más pequeños y más eficientes con una mejor utilización de la energía. Es por eso que los instrumentos de dos hilos FMCW NCR (figura 1) tienen cada vez más aceptación.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 4. La capacidad de FMCW de usar el cambio de frecuencia para determinar la distancia evita los problemas que pueden afectar las mediciones con pulsos.

 

Aplicaciones donde brilla FMCW

 

Espuma

Los líquidos con espuma pueden alterar la reflexión del eco, y es difícil predecir cómo interfiere con una medición exacta, ya que depende en gran medida de las propiedades de la espuma. Hay espumas que pueden amortiguar por completo la señal, mientras otras pueden ser transparentes.

El espesor, la densidad y la constante dieléctrica son factores clave que es necesario analizar. La espuma seca tiende a ser transparente, por lo que el instrumento lee la superficie real del líquido. Si la espuma es húmeda o especialmente densa, las microondas suelen reflejarse desde la superficie de la espuma, en cuyo caso lo que se ve como nivel es la parte superior de la espuma.

Los más recientes instrumentos FMCW incorporan una función de superficie dual, que le permite al usuario seleccionar la superficie de la capa de espuma o la superficie del producto subyacente como salida. Con esta función se puede medir la superficie del producto y no la capa de espuma.

FMCW tiene una mayor sensibilidad de recepción y utiliza señales de mayor intensidad que los sistemas de pulsos, por lo que funciona mejor en situaciones difíciles donde puede haber turbulencia y espuma.

 

Condensación

La tecnología FMCW, por lo general, no se ve afectada por condensación y vapor de baja presión, pero sí por una condensación intensa en la antena. En este caso, conviene purgar el aire para prevenir la obstrucción de la antena.

En aplicaciones de alta temperatura, se recomienda montar el transmisor en un tanque aislado. El aislamiento evita que la boquilla se convierta en un punto frío, provocando condensación y acumulación de líquido en la antena.

 

Tanques de almacenamiento, compensación y mezcla

La tecnología FMCW ofrece mediciones de nivel altamente confiables y exactas cuando se la aplica en recipientes tanto metálicos como no metálicos con cualquier líquido, incluyendo petróleo, gas condensado, agua o productos químicos. Estos transmisores no tienen partes en movimiento y no entran en contacto con el producto, lo que reduce el mantenimiento y mejora la seguridad. Si hay agitadores, se dispone de instrumentos FMCW que usan software para ver ecos falsos pasados para que la exactitud de la medición no se vea afectada.

 

Reactores

Las reacciones químicas pueden generar una variedad de condiciones dentro de los tanques, dando origen muchas veces a vapores, espuma y turbulencia, mientras la densidad puede variar como parte de la reacción y la presión ir desde vacío a presión positiva. Los instrumentos FMCW pueden soportar estos factores y ofrecer una medición exacta y confiable.

 

Vainas

Cuando el contenido de un tanque es turbulento, a causa de agitación, mezcla de productos o salpicaduras, puede quedar interrumpida la señal de retorno. Agregar una vaina reduce este efecto al aislar la superficie y bajar la turbulencia. En estos casos, por lo general, se utiliza GWR, pero los instrumentos FMCW también pueden ofrecer lecturas exactas dentro del espacio confinado de la vaina.

 

Conclusión

Las dos técnicas principales de modulación en instrumentos NCR (pulsos y FMCW) son eficaces pero, por su mayor sensibilidad y exactitud, FMCW resulta adecuada para aplicaciones exigentes. Los instrumentos FMCW de hoy en día son más compactos y ofrecen una alta eficiencia energética, lo que les permite operar con la baja alimentación suministrada por un lazo de dos hilos, lo que elimina la necesidad de una infraestructura de alimentación adicional.

 

Preparado en base a una presentación de Ingemar Serneby, de Rosemount Tank Radar, Emerson Automation Solutions.

El potencial de IIoT reside en su capacidad de vincular sistemas de automatización con sistemas de planificación de empresa, programación y ciclo de vida de producto.

 

Muchos piensan que  IIoT (Industrial Inter­net of Things) es una revolución que está modificando profundamente la cara de la industria. Pero en realidad, es una evolución que tiene sus orígenes en tecnologías y funcionalidades desarrolladas por proveedores de automatización visionarios hace más de 15 años. Cuando maduren los necesarios estándares, quizás se necesiten otros 15 años más para concretar todo el potencial de IIoT. A lo largo de este tiempo, los cambios en la industria llegarán bastante lejos.

La buena noticia es que los usuarios finales y los constructores de máquinas podrán utilizar sus inversiones existentes en tecnología y personal, y, al mismo tiempo, aprovechar las nuevas tecnologías IIoT disponibles. El hecho de incorporar soluciones IIoT basadas en el concepto de ‘reutilizar’ en lugar de ‘sacar y reemplazar’, permitirá tener un mayor control del negocio. Además, el nuevo concepto impulsará la evolución hacia una empresa de manufactura inteligente más eficiente, más segura y sustentable.

La aparición de la megatendencia IIoT ha logrado despertar al mismo tiempo esperanza y confusión entre los responsables de operar plantas industriales. Gran parte de este estado de cosas se centra en el impacto de los avances tecnológicos en las plataformas de automatización existentes.

Sin embargo, uno de los desafíos a la hora de comprender el potencial de IIoT es su enorme campo de aplicaciones.

En el área de control de empresa inteligente, por ejemplo, se pueden ver máquinas que se auto-organizan y activos que aceptan una personalización masiva y un tamaño de lote de uno.

En el mundo del desempeño de activos, la recolección y el análisis de datos provenientes de un número cada vez mayor de sensores inteligentes y de costo económico harán crecer la performance del negocio y el tiempo de operación de los activos.

Una nueva generación de operadores ‘aumentados’ podrán aprovechar varias tecnologías de punta, tales como dispositivos móviles y realidad aumentada. Con un acceso más fácil a información en toda la empresa, su trabajo se simplifica y los sistemas de producción se vuelven cada vez más rentables.

Algunos de estos cambios podrán ser implementados a corto y mediano plazo, otros requerirán una evolución gradual agregando funcionalidad a sistemas ya existentes mientras se establecen nuevos estándares de IIoT a nivel internacional.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
El control de empresa holístico rompe los silos de una empresa y facilita un mejor control de negocio.

 

Definiciones

La visión IIoT del mundo incorpora activos conectados inteligentes (las cosas) que operan como parte de un sistema de mayor tamaño o sistemas de sistemas que conforman la empresa de manufactura inteligente. Las ‘cosas’ poseen distintos niveles de funcionalidad inteligente, que van desde simples sensores y actuadores hasta control, optimización y una operación totalmente autónoma.

La empresa de manufactura inteligente contiene máquinas, plantas y operaciones, con mayores niveles de inteligencia embebida en el núcleo. Los sistemas vinculados están basados en la Internet abierta y estándar y tecnologías de nube que permiten un acceso seguro a dispositivos e información. Esto facilita el procesamiento de Big Data con nuevas herramientas avanzadas de analítica y recurrir a tecnologías móviles para promover un mayor valor de negocio. Esto, a su vez, se traduce en mejoras de eficiencia y rentabilidad, una mayor ciberseguridad e innovación.

 

Empresa de manufactura inteligente

Si bien el impacto a largo plazo de IIoT es a veces difícil de predecir, son tres los entornos operacionales que hacen a la consolidación de una empresa de manufactura inteligente:

 

1 - Control de empresa inteligente

Las tecnologías IIoT permitirán una fuerte integración de máquinas inteligentes conectadas y activos de manufactura inteligentes conectados con una empresa más amplia, lo que se traduce en una manufactura más flexible y eficiente, y por lo tanto rentable.

El control de empresa inteligente puede ser visto como una tendencia a mediano y largo plazo. Es bastante complejo de implementar y requiere la elaboración de nuevos estándares que permitan la convergencia de sistemas IT y OT.

 

2 - Gestión del desempeño de activos

Por cierto que el despliegue de sensores wireless de costo económico, una fácil conectividad con la nube (que incluye WAN) y la analítica de datos mejorarán el desempeño de los activos. Estas herramientas facilitan la recolección de datos de campo y su conversión en información procesable en tiempo real, lo que significa mejores decisiones de negocio y una visión de futuro en la toma de decisiones.

 

3 - Operadores aumentados

Los futuros operadores dispondrán de dispositivos móviles, analítica de datos, realidad aumentada y conectividad transparente para aumentar la productividad. A medida que se reduce la cantidad de personal calificado a cargo de las principales operaciones debido al paulatino retiro de baby boomers, los operadores de planta más jóvenes que los reemplazan necesitarán información para cumplir con sus tareas. Esa información deberá ser entregada en un formato de tiempo real que les resulte familiar. De esta forma, la planta irá evolucionando para centrarse más en el usuario y no tanto en la máquina.

Si bien estas tres áreas están estrechamente relacionadas y comparten muchas interdependencias, también tienen diferencias. Por ejemplo, las escalas de tiempo sobre las que pueden ser implementadas y la clase de segmento del mercado de automatización que atienden.

Hay otras dos áreas, la robótica colaborativa y la impresión 3D, que también hacen a la discusión en torno a IIoT, pero éstas no se tratan en este artículo ya que son tecnologías específicas que no se aplican a todas las empresas de manufactura.

 

Control de empresa inteligente

Uno de los mayores beneficios potenciales de la próxima generación de sistemas IIoT es romper los silos de una empresa. Las tecnologías permitirán una integración más estrecha de sistemas de producción con sistemas ERP, sistemas PLM (Product Lifecycle Management), sistemas SCM (Supply Chain Management) y sistemas CRM (Customer Relationship Management). Hoy en día, estos sistemas son gestionados en forma bastante independiente uno de otro. Se estima que un tal concepto holístico podría promover una considerable ganancia de eficiencia de hasta 26%.

El control de empresa inteligente no significa reemplazar los sistemas actuales de automatización con sistemas completamente nuevos, sino que implica la conexión de esos sistemas con los sistemas de empresa, ciclo de vida y cadena de valor, optimizando toda la empresa de manufactura y facilitando un grado mucho mayor de control de negocio.

Una mayor integración permitirá a las empresas no sólo ser más eficientes, sino también más rentables gracias a una mayor flexibilidad y capacidad de respuesta a condiciones volátiles del mercado.

La noción de control se expandirá desde control en tiempo real de un parámetro físico a control en tiempo real de todo el negocio, incluyendo parámetros físicos y no físicos. Los beneficios incluyen mayor protección contra ciberamenazas, más innovación y la capacidad de gestionar mejor la seguridad, el desempeño y el impacto ambiental.

Como ejemplos de control de empresa inteligente se pueden mencionar personalización masiva y tamaños de lote de uno, detección temprana de productos defectuosos en el proceso de manufactura, modificación del diseño de un producto para eliminar causas raíz, modificación de la planificación de producción en base a pronósticos climáticos y modificación del plan de producción/recetas en base a precios de la materia prima.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
El desempeño de los activos acelera la adopción de las nuevas aplicaciones de gestión de desempeño aprovechando Big Data y analítica, y también tecnologías wireless de costo económico.

 

Desempeño de activos

Las aplicaciones de gestión del desempeño de activos, tales como gestión de energía y mantenimiento predictivo, no son algo nuevo en la industria, pero su aceptación se ha visto limitada por el costo de implementación. Los costos de la conectividad física (costo del cableado a los sensores) y de la conectividad lógica (integración con sistemas existentes) han sido prohibitivos.

La conectividad IP wireless y las arquitecturas basadas en la nube permiten ahora superar estas barreras de costo. Además, emerge una nueva generación de sensores simples, de pequeño tamaño y bajo costo.

Como resultado, la nueva generación de sistemas IIoT aportará soluciones innovadoras en el área de desempeño de activos.

Tomemos como ejemplo el monitoreo basado en condiciones/mantenimiento predictivo. Se malgasta mucho dinero manteniendo equipos que no requieren mantenimiento o descuidando equipos que subsiguientemente fallan y originan paradas de producción no anticipadas.

Hoy en día hay soluciones, pero su aceptación también se ha visto limitada por el costo. La nueva generación de sistemas IIoT promete reducir considerablemente los costos de implementación de tales soluciones.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
Los operadores aumentados son más productivos ya que reciben la información correcta en el momento justo.

 

Operador aumentado

El uso de tecnologías de HMI móviles, tales como teléfonos inteligentes, tabletas y wearables, en combinación con un acceso IP a datos e información (analítica y realidad aumentada), transformará la forma en que trabajan los operadores. Los dispositivos wireless portátiles irán ampliando sus capacidades mientras tecnologías, tales como códigos QR dinámicos, mejorarán la experiencia del operador y lo convertirán en un operador ‘aumentado’ más productivo.

Hoy en día, los operadores sólo tienen acceso a información proveniente de sistemas de automatización. En el día de mañana, los operadores aumentados podrán tener acceso a información de todos los sistemas de empresa necesarios y podrán gestionar no sólo el desempeño o la eficiencia de proceso, sino también rentabilidad del proceso.

 

Barreras a la adopción

Será necesario superar varias barreras antes de que la próxima generación de sistemas IIoT sea adoptada en manufactura. Estas barreras incluyen el establecimiento de estándares referentes a IIoT, ciberseguridad y la adaptación de la fuerza laboral a las nuevas habilidades que implica la adopción.

 

Estandarización

Los estándares son necesarios para que productos, máquinas y activos conectados inteligentes interactúen de manera transparente. Esto va más allá de simples protocolos de comunicación e implica la creación de semántica y mecanismos estándar que permitan que los dispositivos inteligentes descubran uno al otro e interoperen. Algunos estándares, tales como PackML, ya existen en esta área, pero son incompletos y no cubren todos los aspectos de manufactura. En este momento, la estandarización está siendo abordada por Industria 4.0 y las iniciativas de Industrial Internet Consortium.

 

Ciberseguridad

El advenimiento de IIoT está acelerando la necesidad de ciberseguridad en sistemas de control.

La complejidad de IIoT significa que la ciberseguridad debe estar diseñada en los componentes del sistema de automatización.

La adopción de estándares de ciberseguridad industrial con certificación será un factor clave para el avance de IIoT, ya que podrá garantizar la ciberseguridad no sólo de activos individuales sino también de sistemas de mayor tamaño y sistemas de sistemas.

Estas certificaciones tendrán un rol similar al que tienen en el mundo de las certificaciones de seguridad. Conseguir la certificación significa que los elementos de un sistema contienen bloques constructivos clave de ciberseguridad. Los elementos son combinados de manera segura por equipos certificados en ciberseguridad y son operados como sistema seguro por operadores entrenados en ciberseguridad.

La clave para la certificación de ciberseguridad es consistencia y aplicabilidad. A nivel mundial, la serie IEC 62443 de estándares cubre todos los elementos de ciberseguridad a partir del desarrollo del producto hasta llegar a las características del producto, características del sistema, entrega y operación. Es importante señalar que, si bien hay algunos entes independientes que ofrecen hoy en día certificación para IEC 62443, IEC en sí todavía no ha aprobado ninguno de estos entes para certificar IEC 62443.

Como complemento a los estándares de ciberseguridad IEC 62443, los estándares industriales existentes también van evolucionando para ser más seguros. DNP3 ha evolucionado a DNPV5 para agregar ciberseguridad, OPC UA ofrece importantes mejoras de ciberseguridad, Modbus está evolucionando a Modbus Secure y EtherNet/IP se está convirtiendo en EtherNet/IP Secure. Además, muchos sistemas IIoT están adoptando características de ciberseguridad derivadas de estándares informáticos ya existentes, tales como HTTPS, certificados y encriptación/protocolos autenticados.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
Se requieren muchas nuevas habilidades para diseñar y operar sistemas IIoT.

 

Competencias del operador

El conjunto de habilidades que se requieren para diseñar y operar un sistema basado en IIoT son diferentes a las necesarias para implementar un sistema de automatización clásico. Hará falta mucho reentrenamiento de operadores existentes y personal de mantenimiento para gestionar tales sistemas.

La buena noticia es que los sistemas IIoT utilizan tecnologías que ya son familiares en la vida cotidiana, de modo que la nueva generación de operadores jóvenes no tendrá problemas para adaptarse a este nuevo concepto.

El principal desafío para los proveedores de automatización tiene que ver con diseñar y suministrar herramientas de diagnósticos/depuración capaces de identificar rápidamente la causa raíz de los problemas. De esta forma, un sistema defectuoso o caído podrá ser restaurado en poco tiempo.

 

Arquitecturas basadas en información

A medida que las empresas de manufactura inteligente comiencen a implementar control de empresa inteligente y sistemas de desempeño de activos gestionados por operadores aumentados, los proveedores de automatización tendrán que responder incorporando IIoT en todos los niveles de la jerarquía de automatización, lo que facilitará la integración con la próxima generación de sistemas IIoT.

Además, con el creciente poder de la electrónica embebida, la inteligencia conectada migrará hacia los niveles más bajos de la jerarquía de automatización, o sea al nivel de control y al nivel de sensores y actuadores.

Como resultado, los sistemas de tecnología de operaciones (OT) se juntarán con los sistemas informáticos (IT) y la jerarquía de automatización evolucionará para conformar una arquitectura mucho más plana y más basada en información. Puesto que las consecuencias de este esquema aún no están claras, las tecnologías y arquitecturas empleadas deberán ser flexibles, adaptables al cambio y capaces de integrarse con los sistemas existentes.

Las filosofías y arquitecturas jerárquicas monolíticas y de una sola fuente del pasado dejarán de funcionar en el futuro.

La arquitectura consiste de dos capas. El flujo de información a través de ambas capas será transparente utilizando semántica y mecanismos de descubrimiento basados en estándares industriales.

La capa sensible al tiempo está destinada al control determinístico en tiempo real. Esta capa suele ser designada como ‘niebla’ o ‘borde’. Sin embargo, el término ‘basada en IP sensible al tiempo’, que se usa para esta capa, subraya el hecho de que las tecnologías en esta capa son fundamentalmente las mismas tecnologías  IIoT utilizadas en la capa de nube de empresa, pero optimizadas para comunicaciones determinísticas en tiempo real.

Los dispositivos OT que corresponden a esta capa sensible al tiempo (sensores, actuadores y controladores) estarán listos para nube y capaces de interactuar de manera transparente con los sistemas informáticos de negocio de la segunda capa.

Esos mismos dispositivos también tendrán un alto grado de inteligencia. Como ejemplo piense en válvulas de control con sensores embebidos de temperatura, presión y acústicos. Estas válvulas son capaces de operar de manera autónoma con setpoints desde la empresa, determinando sus propias necesidades de mantenimiento preventivo e informando al departamento de mantenimiento acerca de su condición en el momento oportuno.

La otra capa es la capa de nube de empresa donde sistemas de empresa (ERP, MOM, PLM, SCM, CRM, etc.) y funciones de próxima generación, que incluyen gestión de activos y gestión de energía, podrán interoperar entre sí y con los sistemas sensibles al tiempo y listos para nube.

El término nube mencionado anteriormente se refiere a las tecnologías utilizadas, y no a la ubicación física de la infraestructura. Hay muchas razones para creer que, en el negocio de automatización a nivel industrial, las nubes locales (comúnmente designadas como ‘borde’) serán la arquitectura más ampliamente utilizada.

 

Control centralizado versus distribuido

Los argumentos a favor de sistemas de control redundante fuertemente centralizado versus sistemas de control distribuido han existido desde hace muchos años. Dentro de este contexto, los defensores de cada arquitectura han defendido su posición con argumentos válidos.

El advenimiento de IIoT no resuelve este debate. Por un lado, el uso de electrónica embebida de costo económico en los dispositivos de campo supone una mayor distribución de inteligencia y control. Por el otro lado, la conectividad IP de alta velocidad de los dispositivos de campo acepta una arquitectura más centralizada donde todos los sensores y actuadores se encuentran conectados a un procesador multinúcleo altamente redundante y potente, ubicado en un centro de datos seguro local.

Hoy en día, una aplicación se programa pensando en un hardware en particular, por ejemplo un PLC. En el día de mañana, una aplicación podrá ser programada independientemente del hardware de automatización subyacente, mientras el sistema distribuirá la aplicación de manera transparente al hardware, configurando automáticamente todos los mecanismos de comunicación.

Este esquema permitirá a los usuarios elegir ya sea una arquitectura fuertemente centralizada o distribuida, o un enfoque híbrido basado en requerimientos y problemas específicos. Ya existe un estándar de control distribuido IEC 61499 que puede servir como base para un estándar de control distribuido IIoT.

La distribución de inteligencia en el campo permitirá a los productos conectados inteligentes y máquinas conectadas inteligentes publicar información importante en un formato estandarizado, con lo que dicha información llegará de manera transparente a los sistemas y aplicaciones que la requieren. Con este esquema se podrá superar uno de los desafíos importantes de hoy en día: la ubicación de la información se desconoce y, por lo tanto, no puede ser descubierta o utilizada sin una programación personalizada.

 

Arquitecturas de automatización en red

Las redes verán un crecimiento exponencial en cuanto a dispositivos conectados inteligentes, que aprovecharán una red central IIoT/Ethernet sensible al tiempo para interoperar entre sí y con dispositivos que residen en otros sistemas de empresa.

El gran número de dispositivos conectados en red plantea nuevos desafíos no sólo en el área de gestión y desempeño de la red sino también en el área de gestión de toda la configuración del sistema de control distribuido y su software de aplicación.

Implementar grandes sistemas en red con las técnicas clásicas de automatización de hoy en día es complejo. Los sistemas de automatización basados en IIoT del mañana requerirán un nuevo esquema para simplificar las tareas de diseño, gestión y mantenimiento de las arquitecturas de automatización en red.

IIoT se describe muchas veces como una revolución tendiente a cambiar la vida tal como la conocemos. En los sectores de bienes de consumo, gestión de edificios y otros, hay algo de verdad en esto. Sin embargo, en la industria, IIoT irá aplicándose más lentamente a medida que vayan evolucionando sus necesidades específicas y abordando sus desafíos específicos.

 

Conclusión

Si bien el interés en IIoT va creciendo fuertemente, hay razones por las que IIoT debería ser visto como una evolución, no una revolución. Los usuarios finales han invertido mucha plata en sistemas de automatización y control industrial y no están dispuestos a invertir más plata para reemplazar esos sistemas con nuevas tecnologías.

Los usuarios finales incluso se resisten al cambio a causa del mayor riesgo de paradas y costos asociados.

Proveedores de automatización visionarios, tales como Schneider Electric, y un grupo de usuarios finales han trabajado conjuntamente en pos de este objetivo desde hace más de 15 años El concepto de servidores web embebidos y el uso de Ethernet como red de control en tiempo real para tener acceso a información de manera transparente desde cualquier lugar en la empresa fue una primicia de Schneider Electric en el mercado allá por los años ’90. Presentado en ese entonces como ‘Fábrica Transparente’, sus ecos se sienten claramente en la historia de IIoT de hoy en día.

Se requieren avances en el área de estándares para hacer realidad todo el potencial de IIoT. Sin embargo, a pesar de su lenta adopción, el impacto de IIoT en manufactura será de gran alcance.

Proveedores y usuarios deben comenzar a adoptar tecnologías IIoT en sus productos y operaciones si desean seguir siendo competitivos en el mercado. La buena noticia es que la madurez tecnológica es tal que negocios y empresas podrán introducir ya ahora soluciones IIoT con nuevas tecnologías que harán mover la base de su infraestructura física en el tiempo.

El costo de los sensores conectados está bajando rápidamente, mientras los protocolos abiertos basados en IP avanzan a un ritmo acelerado y la adopción de soluciones basadas en la nube se está convirtiendo en una realidad.

 

IIoT y evolución hacia una manufactura inteligente
Arquitectura de automatización basada en información.

 

Preparado en base a una presentación de John Conway, de Schneider Electric.

Nueva app móvil para configurar transmisores de nivel por radar

 

Los dispositivos de nivel por radar son críticos a la hora de lograr mediciones exactas y confiables tanto de líquidos como de materiales sólidos. La nueva app Radar Master de Emerson simplifica la configuración en el campo de dispositivos de nivel por radar Rosemount.

Los dispositivos de nivel por radar en el campo se montan normalmente en lugares altos y difíciles de alcanzar donde, algunas veces, no se dispone de energía eléctrica in situ. Los técnicos encargados de configurar estos dispositivos, por lo general llevan consigo computadoras portátiles incómodas y fuentes de alimentación para el dispositivo suelen llevar realizar la configuración. El comunicador de dispositivos AMS Trex resuelve estos problemas al permitir que los técnicos lleven consigo un comunicador portátil que puede configurar y alimentar los dispositivos de radar mediante la app Radar Master.

Gráficos dinámicos y una interface intuitiva de pantalla táctil en la app permiten a los usuarios configurar más rápidamente los dispositivos de medición de tanques con los ajustes correctos. La geometría del tanque se dibuja para coincidir con los parámetros físicos del tanque real, lo que permite que las configuraciones de medición puedan evitar ecos falsos de objetos estáticos en el tanque, tales como escaleras, alabes de agitadores y deflectores, los que, muchas veces, demoran el proceso de obtención de mediciones exactas.

El diseño compacto del comunicador AMS Trex es ideal para trabajar en el entorno pequeño, y muchas veces peligroso, de un tanque. Su facilidad de uso con una mano, la seguridad del usuario según NFC y las clasificaciones de seguridad intrínseca aseguran un trabajo seguro y eficaz en estas áreas difíciles.

"Hoy en día, los usuarios de Radar Master pueden dejar sus computadoras portátiles al ir al campo y conseguir una configuración exacta y confiable, incluso en áreas clasificadas, con AMS Trex", explicó Anna Olander, de Emerson.

Los usuarios pueden seguir, visualizar y establecer tendencia del nivel del tanque, además de recibir información de alerta para identificar y resolver problemas usando el nuevo historizador incorporado. También se pueden visualizar y comparar instantáneas de datos de configuración pasados en el tiempo, lo que brinda una mejor información acerca del efecto de los cambios en la operación.

Cada cambio de configuración en el campo es registrado automáticamente con fecha y hora, lo que proporciona un registro de auditoria automatizado. Los cambios se actualizan en la base de datos de AMS Device Manager, siempre que AMS Trex detecte una señal Wi-Fi o una conexión USB, para garantizar la exactitud de la base de datos y la integridad de los datos de medición.

La medición de nivel por radar no se detiene en su avance y van surgiendo constantemente nuevos modelos con novedosas características. Hemos usado frecuencias de radar de 6 GHz, luego de 26 MHz y de repente saltamos a 80 GHz! Recientemente, para agregar más suspenso al tema, aparece Endress+Hauser hablando de 113 GHz…

Antes que nada, vamos a disipar algunos mitos. Primero, de la misma manera que el láser para sistemas de comunicaciones de fibra óptica ha hecho posible el uso de sistemas ópticos infrarrojos en analizadores de gases de proceso o que la tecnología de teléfono móvil ha aportado el hardware en los primeros sistemas de medición de nivel por radar, las versiones de 80 GHz son el resultado de una tecnología de medición introducida en el mercado a raíz de investigaciones en sistemas de medición de distancia y sensores de estacionamiento utilizados en los coches modernos. Los proveedores tomaron los sensores y chipsets para desarrollar un nuevo producto industrial y luego trataron de encontrarle las mejores aplicaciones – en este caso, las únicas que podrían beneficiarse de 80 GHz.

Segundo, Endress+Hauser no tiene un sistema de 113 GHz, sino que es tan sólo un ‘gancho’ para promover su posición en el mercado de sensores de medición de nivel por radar. 

Endress+Hauser hace hincapié en una ‘competencia completa en radar de 113 GHz’, que es la suma de las diferentes frecuencias que usan sus distintos sensores… Estas frecuencias son 1, 6, 26 y 80 Hz.

 

¿Por qué tantas frecuencias?

Posiblemente, la mejor explicación acerca de las frecuencias adecuadas para cada aplicación se encuentre en ‘Engineer’s Guides’ de Rosemount, donde los dispositivos se dividen, para generalizar, en baja, media y alta frecuencia.

Las señales de radar se atenúan, o sea hay una pérdida de intensidad, a medida que atraviesan el aire o el vapor que se encuentra por encima del líquido. Las altas frecuencias resultan más severamente afectadas que las menores frecuencias. Cuando el aire contiene gotas de humedad, vapor o líquido (por rociado o llenado), la atenuación es mayor. En aplicaciones con sólidos, las partículas de polvo tienen el mismo efecto. Por lo tanto, el radar de baja y media frecuencia es la mejor alternativa en caso de presencia de polvo o humedad. 

A menores frecuencias, la longitud de onda es mayor (30-50 mm), de modo que las ondulaciones superficiales en un tanque tienen un efecto reducido. A mayores frecuencias, las ondulaciones superficiales y la espuma sobre la superficie pueden ser un problema. En cambio, las longitudes de onda más cortas de las unidades de alta frecuencia (4 mm) ofrecen una operación exacta en aplicaciones de corto alcance, por ejemplo en tanques de pequeño tamaño. 

Las unidades de mayor frecuencia pueden tener una construcción de sensor de menor tamaño, de modo que la unidad sea más fácil de instalar. El ángulo del haz es más angosto, por lo que se las puede destinar a un blanco con un área de menor tamaño y, en consecuencia, pueden ser posicionadas más fácilmente para evitar las obstrucciones en un tanque. Pero también puede ser una desventaja, ya que las instalaciones necesitan ser exactamente verticales y toda turbulencia de la superficie durante llenado o agitación puede hacer que se pierda la señal por momentos en tanques de mayor tamaño. 

Al leer estos comentarios, es importante recordar que Emerson no ofrece todavía una unidad de 80 GHz, por lo que, naturalmente, sus consideraciones se refieren a unidades de baja y media frecuencia. Los proveedores de unidades de alta frecuencia (Vega, Krohne y Endress+Hauser) señalan que, en muchos tanques de almacenamiento de líquido, la superficie no se altera, ya que factores como espuma, turbulencia y ondulaciones importantes (>2 mm) causadas por llenado o transferencia de líquido sólo provocan una interferencia de corta duración. Sumando el pequeño tamaño de la antena y la prestación en pequeños alcances, se puede ver que las unidades de 80 GHz son de gran utilidad en recipientes y tanques de proceso de menor tamaño.

 

Tipos de sistemas de radar

Hay dos tipos de sistemas de radar: radar de onda guiada (GWR por sus siglas en inglés) y radar de espacio libre. Los sistemas GWR utilizan una barra conductora, o similar, que va dentro del líquido, trabajando muchas veces en un tubo tranquilizador adosado al tanque de proceso principal. Estos sistemas operan con bajas frecuencias de microondas y son independientes de la turbulencia y espuma en la superficie. Son recomendables para mediciones de alcance más corto y medición de interfase entre líquidos, como así también en grandes alcances.

Los sistemas de radar de espacio libre se montan desde el tope con nada en el tanque; algunos pueden operar a través de ventanas no conductoras en el techo del tanque. Los sistemas de baja y media frecuencia, por lo general, transmiten una señal de pulso y miden la distancia al líquido por medio del retardo de tiempo del pulso que retorna. 

Los sistemas de alta frecuencia (80 GHz) usan una medición de radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW según sus siglas en inglés), donde se barre la frecuencia de transmisión y se mide la diferencia de frecuencia de la señal retornada para evaluar la distancia. La técnica FMCW también se utiliza en algunos sensores recientes de 26 GHz.

Los sistemas de radar pueden transmitir sus datos de medición usando 4-20 mA, sistemas de fieldbus con HART, fieldbus Foundation, PROFI–BUS PA y Modbus, o sistemas wireless como Bluetooth. Los sistemas de radar pulsado de baja y media frecuencia operan generalmente con una interface bifilar; algunos de los sistemas FMCW requieren más energía y usan una conexión de alimentación aparte.

 

Preparado por el Departamento Técnico de Editorial Control

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